Turbo PMAC面向復(fù)雜運(yùn)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放特性研究

　　目前,比較現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑是“PC +多軸控制器”,在這種結(jié)構(gòu)中, PC機(jī)處理非實(shí)時(shí)部分,實(shí)時(shí)控制部分由多軸控制器來(lái)承擔(dān),形成多級(jí)分布式控制模式。這樣架構(gòu)出來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)既具有前端PC機(jī)的柔性,又具有專用CNC系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上, 性能價(jià)格比較高的當(dāng)屬基于PMAC ( Programable Multi2axes Controller)多軸運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式控制系統(tǒng)。由于PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器優(yōu)異的軌跡跟蹤能力和精度,在很多高性能的數(shù)控系統(tǒng)和研究項(xiàng)目中選用它構(gòu)建開(kāi)放式控制系統(tǒng)。

　　Turbo PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器是PAMC系列的升級(jí)版本,保持了PMAC的優(yōu)良性能,其特有的開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算特性,更適合于構(gòu)建面向復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),如并聯(lián)機(jī)床和機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)。

2 Turbo PMAC的性能和開(kāi)放特性

　　Turbo PMAC是美國(guó)Delta Tau公司在PMAC的基礎(chǔ)上推出的基于工業(yè)PC和W indows操作系統(tǒng)的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器,采用了更高速度的DSP56300 系列數(shù)字信號(hào)處理器,提供全新的高性能技術(shù)和Win2dows平臺(tái), 滿足用戶在運(yùn)動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域的需要。Turbo PMAC可同時(shí)控制1～32個(gè)軸,實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制。Turbo PMAC既可單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于控制器內(nèi)部的程序,也可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序。它可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別,從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。在硬件結(jié)構(gòu)上,只需通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置和使用不同的接口卡, Turbo PMAC便能與各種伺服系統(tǒng)匹配,可以方便地連接各種模擬或數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。Turbo PMAC與PC機(jī)的通訊有三種方式:串行、總線和雙端口RAM方式,可以按照實(shí)際硬件條件和需要選擇最適合的方式。Turbo PMAC可以在PC XT/AT、VME、STD 總線上運(yùn)行,由此提供了多平臺(tái)的支持特性,同時(shí)也使同一控制軟件可以在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行,這種特性體現(xiàn)了Turbo PMAC 在硬件結(jié)構(gòu)上的開(kāi)放性。

　　在軟件結(jié)構(gòu)上, Turbo PMAC提供了Windows平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)程序,支持VC + +、VB、Delphi、C + +Builder等編程語(yǔ)言環(huán)境,實(shí)現(xiàn)W indows環(huán)境下的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。此外, Turbo PMAC也支持DOS環(huán)境下控制程序的開(kāi)發(fā),由此可對(duì)Turbo PMAC進(jìn)行高實(shí)時(shí)性控制,為開(kāi)發(fā)高性能的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)提供了條件。TurboPMAC對(duì)多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和多種操作系統(tǒng)平臺(tái)的支持,體現(xiàn)了Turbo PMAC對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)放性。Turbo PMAC提供了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能,如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條曲線插補(bǔ)等模式,用戶也可以通過(guò)這些基本模式定制出自己合適的運(yùn)動(dòng)模式。TurboPMAC支持?jǐn)?shù)控G代碼和M代碼指令控制,支持刀具補(bǔ)償功能,可方便地開(kāi)發(fā)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。Turbo PMAC采用了帶陷波濾波器的P ID算法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的伺服控制,能有效地克服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的機(jī)械振動(dòng),該伺服環(huán)引入了速度和加速度前饋,進(jìn)一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。Turbo PMAC內(nèi)含了邏輯功能強(qiáng)大的可編程控制器(PLC) ,可以和運(yùn)動(dòng)控制程序密切配合實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的開(kāi)關(guān)量( I/O)控制。

　　同PMAC系列多軸運(yùn)動(dòng)控制器相比, Turbo PMAC除運(yùn)算速度和內(nèi)存增加外,還增加了新控制特性,主要有:先進(jìn)的加速超前預(yù)測(cè),內(nèi)建的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算能力,三維刀具半徑補(bǔ)償功能,在線改變運(yùn)動(dòng)目標(biāo),多端口連續(xù)通訊,為每個(gè)電動(dòng)機(jī)制定正弦轉(zhuǎn)換表,可單獨(dú)選擇電動(dòng)機(jī)的P ID伺服控制算法或使用外部定義的算法,大大增加了同步M變量緩沖區(qū),為每個(gè)坐標(biāo)系設(shè)置兩個(gè)伺服速率定時(shí)器,運(yùn)動(dòng)軌跡反求能力。其中,正向/逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算功能和伺服控制算法定義功能,體現(xiàn)了Turbo PMAC運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在面向用戶的開(kāi)放性方面向前跨了一大步,使用戶能靈活地在該平臺(tái)上配置自己的運(yùn)動(dòng)算法,快速開(kāi)發(fā)復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品。

3 Turbo PMAC開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算特性

　　對(duì)于面向復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng),如并聯(lián)機(jī)床控制和多軸機(jī)器人控制,盡管PMAC仍然可以作為一個(gè)優(yōu)秀的控制平臺(tái),但主要是利用了PMAC的伺服控制功能和多軸聯(lián)動(dòng)控制功能,而那些高性能的輔助功能很難直接使用,較典型的就是G代碼和刀具補(bǔ)償?shù)裙δ?這就增加了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)難度。在基于Windows平臺(tái)上的應(yīng)用,甚至?xí)斐稍诰€實(shí)時(shí)控制失敗,究其原因,主要是因?yàn)镻MAC的輔助功能是以笛卡爾坐標(biāo)為基礎(chǔ),而并聯(lián)機(jī)床和機(jī)器人的實(shí)際控制軸一般不是笛卡爾幾何形狀,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡與驅(qū)動(dòng)軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系為非線性關(guān)系,因此運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃之后,還需要上位機(jī)完成粗插補(bǔ)、坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和虛、實(shí)軸變換等運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算,形成實(shí)際軸的密化控制數(shù)據(jù),在非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)下(如W indows)大量密化的數(shù)據(jù)傳輸成為實(shí)時(shí)控制的難點(diǎn)和瓶頸。在并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,由于不能直接使用PMAC提供的輔助功能,需要開(kāi)發(fā)者編制對(duì)標(biāo)準(zhǔn)G代碼數(shù)控程序的解釋程序和刀具補(bǔ)償程序,會(huì)大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率和產(chǎn)品的可靠性。上述存在的問(wèn)題在Delta Tau 公司開(kāi)發(fā)的新一代多軸控制器Turbo PMAC中得到了較好的解決。

　　Turbo PMAC提供了一種機(jī)制,使用戶很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算。當(dāng)?shù)都庾鴺?biāo)和驅(qū)動(dòng)軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間為非線性關(guān)系時(shí),運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算功能變得尤為重要。典型例子就是并聯(lián)機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)。在并聯(lián)機(jī)床控制中,只要將對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)程序嵌入到TurboPMAC控制器中, Turbo PMAC可以根據(jù)刀尖軌跡自動(dòng)按照給定的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法計(jì)算出實(shí)際驅(qū)動(dòng)軸的位置坐標(biāo)。Turbo PMAC的這種能力,允許在笛卡爾坐標(biāo)系(虛軸坐標(biāo)系)對(duì)刀尖軌跡編程,而不用考慮實(shí)際控制軸的坐標(biāo)形態(tài)。Turbo PMAC的運(yùn)動(dòng)算法程序編制方法簡(jiǎn)單,與PLC程序語(yǔ)法規(guī)則一致,該程序放在TurboPMAC的專用緩沖區(qū)中,作為子程序供運(yùn)動(dòng)程序調(diào)用。Turbo PMAC中運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的定義與機(jī)構(gòu)學(xué)中定義的基本思想一致。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算是指,以驅(qū)動(dòng)軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)作為輸入量,計(jì)算出刀尖的軌跡位置坐標(biāo)。在并聯(lián)機(jī)床控制中,通過(guò)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算可以獲得控制初始的刀尖位置,也可以在加工過(guò)程中報(bào)告刀尖軌跡位置。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算往往無(wú)封閉解,因此TurboPMAC支持迭代處理,以解決復(fù)雜的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算是指,以刀尖位置坐標(biāo)作為輸入,計(jì)算出驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)。在并聯(lián)機(jī)床控制中,刀尖的每個(gè)編程端點(diǎn)都需要進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。特別指出的是,在非線性程度很高的并聯(lián)機(jī)床控制中,如只對(duì)編程端點(diǎn)進(jìn)行逆解運(yùn)算,則意味著所有插補(bǔ)均在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行,一般情況下刀尖軌跡不會(huì)是一條直線。因此,必須首先對(duì)編程段進(jìn)行粗插補(bǔ)(即編程段細(xì)分) ,對(duì)每一個(gè)細(xì)分段再進(jìn)行逆解運(yùn)算,而在關(guān)節(jié)空間只進(jìn)行精插補(bǔ),則刀尖軌跡誤差會(huì)很小,甚至可忽略不計(jì)。這種處理方式在Turbo PMAC中得到支持,通過(guò)控制分段時(shí)間變量來(lái)定義粗插補(bǔ)周期,實(shí)現(xiàn)在直線和圓弧運(yùn)動(dòng)模式下基于時(shí)間分割的粗插補(bǔ)功能。

4 結(jié)論

　　Turbo PMAC的開(kāi)放特性為開(kāi)發(fā)復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái),通過(guò)其開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算功能封裝了設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,并可以直接使用Turbo PMAC提供的數(shù)控G代碼和刀具半徑補(bǔ)償?shù)容o助功能,從而減少上位機(jī)計(jì)算量和與Turbo PMAC的通訊數(shù)據(jù)量,提高控制的實(shí)時(shí)性能,可以降低開(kāi)發(fā)成本,使開(kāi)發(fā)者把更多精力投入到設(shè)備控制功能和性能研究中。可以預(yù)見(jiàn), Turbo PMAC將在并聯(lián)加工機(jī)床和機(jī)器人控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,并可為我國(guó)自行研制的高性能、開(kāi)放性多軸運(yùn)動(dòng)控制器提供技術(shù)參考。